3D打印技術在主動脈夾層中的應用進展

摘要：主動脈夾層（AD）是常見的急性主動脈綜合征，臨床上通常采用CT血管造影（CTA）檢查評估AD。無論是開胸外科手術或腔內修復介入手術都需要手術醫師對AD患者的主動脈及分支血管的解剖信息充分把握。但CTA影像只能通過電腦屏幕二維顯示，需要醫師在大腦中構建三維結構；其次，AD患者的主動脈弓上分支血管也存在明顯的個體性差異，以上兩點對于臨床經驗豐富的醫師都是很大的挑戰。隨著醫學與技術的發展，3D打印技術在臨床醫學中已得到廣泛應用，近年來也逐漸應用于主動脈夾層這一疾病中。本綜述主要闡述近年來3D打印技術在不同分型的主動脈夾層診治中的應用進展，探討3D打印技術在主動脈夾層疾病中的價值，為實現精確化、個體化疾病治療提供參考。

關鍵詞：3D打印技術；主動脈夾層；CT血管造影；腔內修復術

中圖分類號：R543.1；R814.42" " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " "DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2024.04.036

文章編號：1006-1959（2024）04-0188-05

Application Progress of 3D Printing Technology in Aortic Dissection

ZENG An-ke1，2，WEI Ya-ning1，ZHANG Yi-di1，DONG Ya-qian1，WU Li1

（1.College of Medical Imaging，Shanghai University of Medicine amp; Health Sciences，Shanghai 201318，China;

2.Department of nuclear medicine，the Third Affiliated Hospital，Suh Yat-Sen University，Guangzhou 510630，Guangdong，China）

Abstract：Aortic dissection （AD） is a common acute aortic syndrome. Clinically， CT angiography （CTA） is usually used to evaluate AD. Whether it is open thoracic surgery or endovascular repair interventional surgery， surgeons need to fully grasp the anatomical information of the aorta and branch vessels of AD patients. However， CTA images can only be displayed on a computer screen in two dimensions， which requires doctors to construct three-dimensional structures in the brain ; secondly， there are also obvious individual differences in the branches of the aortic arch in AD patients. The above two points are great challenges for doctors with rich clinical experience. With the development of medicine and technology， 3D printing technology has been widely used in clinical medicine， and has been gradually applied to the disease of aortic dissection in recent years. This review mainly describes the application progress of 3D printing technology in the diagnosis and treatment of different types of aortic dissection in recent years， and discusses the value of 3D printing technology in aortic dissection， so as to provide reference for the realization of accurate and individualized disease treatment.

Key words：3D printing technology;Aorticdissection;CT angiography;Endovascular repair

主動脈夾層（aortic dissection，AD）具有起病急、發展迅速、病死率高的特點，是最危重的主動脈疾病之一。有統計表明[1]，只有39%的患者在癥狀出現后24 h內能得以確診。國內主動脈夾層登記處（Sino-RAD）通過比對國內AD患者與國外AD患者數據信息，發現國內AD患者存在治療策略選擇差異大的特點[2]。AD分類主要依據夾層的破口位置和主動脈受累范圍。臨床上常用分型包括Debakey分型和Stanford分型，Stanford分型較Debakey分型更簡潔，且與臨床手術方法更為緊密，因而受到廣泛使用。Stanford A型主動脈夾層（TAAD）指凡是累及升主動脈的夾層，主要的治療方式是開胸外科手術。Stanford B型夾層（TBAD）指近端破口位于且累及左鎖骨下動脈以遠的降主動脈夾層，其主要的治療方式是胸主動脈腔內修復術（TEVAR）。CT血管造影（CTA）能夠明確AD診斷，并獲取夾層的范圍、破口位置、分支血管供血情況等信息，具有空間分辨率高、多種后處理方式等優勢，是可疑AD患者的首選影像學檢查方法[3]，但CTA等影像數據只能在通過工作站屏幕二維顯示，術者需要自行在大腦構建血管的真實模型。尤其TAAD患者，開胸外科手術具有耗時長、手術技術難度大、患者術后并發癥和病死率相對較高的特點，只有當術者完全了解解剖結構，充分準備正確合適的手術器械，才有可能實現精準手術操作，減少手術期間的造影次數，最終達到提高手術成功率的目的。3D打印模型能夠1∶1地呈現患者夾層病變的真實情況。無論是夾層的破口、累及范圍，抑或是錨定區及開窗的部位、大小和角度等關鍵信息都能呈現在模型上，有利于制定手術方案。隨著技術的發展和臨床需求的日益增多，3D打印技術在心血管領域中的應用發展迅速，憑借立體直觀、打印精準、個體化的特點，有望成為臨床診治AD的最有效工具之一。本文主要探討3D打印技術在AD外科診療、介入治療以及在臨床教學和醫患溝通中的應用方法和價值，為實現精確化、個體化疾病治療提供參考。

1 3D打印在TAAD中的應用

TAAD的外科治療術式主要是孫氏手術，即全弓置換和象鼻支架置入術，該手術因需要處理主動脈根部與弓部，大多情況下需要依靠體外循環，深低溫停循環進行根部與弓部的置換或是血運重建。目前，孫氏手術在臨床上已取得較好的臨床治療效果。但該術式具有創傷大、耗時長，術中操作較復雜、并發癥較多的特點，且多數情況下只能在大型心血管中心完成。其次，每個患者的夾層撕裂位置及范圍、主動脈弓上分支的血管內徑、開口間距及角度都存在個體化差異[4]，僅僅憑借術前影像資料難以對患者血管信息作全面了解。

3D打印技術可以將患者血管情況進行1∶1精確打印，可全方位觀察病變部位形態，幫助制定開胸手術的方案，并預測術中可能發生的情況，盡可能減少手術時間，提高患者預后效果。王成等[5]選取3D打印輔助的個體化組合覆膜支架輔助手術及孫氏手術各20例Stanford A型病例進行比較，結果顯示3D打印輔助的個體化組合支架組體外循環時間、深低溫停循環時間、主動脈阻斷時間、ICU住留時間均優于孫氏手術，有良好的近期臨床效果。張靚等[4]對比分析了3D打印技術輔助制作組合支架手術組與常規孫氏手術組的手術效果，結果顯示3D打印模型的存在有效提高了手術效率，避免了對開胸手術時間的浪費。另外，在手術操作期間，個體化支架的定制避免了分支血管與人工血管多個端口吻合的操作，明顯地減少了術中端口縫合時間，降低了出血的可能性。兩組對比顯示，使用3D打印模型輔助組合支架制作手術組總的手術時間、體外循環或停循環時間均明顯低于觀察組，可見3D打印技術在臨床中的應用已取得了較好的成效。個體化支架的準確組合意味著支架的相對位置、相對大小并充分考慮個體情況，因此規避了支架移位、內漏的風險。

TAAD病情進展迅速，若患者發病后未及時接受治療，超急性期（＜24 h）病死率每小時增長1%～2%，24 h病死率為20%左右，48 h病死率可達30%[6]。研究表明[7]，急性TAAD術后早期發生并發癥的風險較高，包括腎功能不全、呼吸功能不全、肝功能不全、低心排綜合征以及神經系統問題。

對于不必更換主動脈弓的TAAD患者，可通過腔內介入治療或微創雜交手術進行治療。部分累及弓部和升主動脈的TAAD患者通過雜交手術進行治療，取得了不錯的療效[8]。常用的介入手術方法包括以下3種：原位開窗技術、煙囪技術和預開窗技術。原位開窗技術在解剖復雜的主動脈內重建難度較高；煙囪技術內漏率較高，易發生中遠期逆行性A型夾層（RTAD）[9]。相比之下，體外預開窗雖無以上缺點，但其對開窗位置準確度要求較高。楊晗等[10]報道了2例應用3D打印技術輔助腔內治療并進行原位開窗的案例，術前基于患者前期影像資料進行血管模型的3D打印，評估入路血管情況和夾層大小及角度等情況，完成支架尺寸及型號選擇、開窗位置等手術方案內容的制定；術中操作階段，根據3D打印模型調整DSA球管的位置、方向和角度并進行原位開窗、支架植入或覆膜支架預開窗操作；2例患者術后各影像資料顯示各分支通暢良好，夾層破口封閉，假腔內血流明顯消失，各內臟器官動脈及遠端髂動脈血流開放。

束徑技術是腔內介入手術的補充，通過將支架臨時縮小，從而調整支架方向以對準窗位[9]，它與3D打印技術的結合能夠獲得更高的手術精準度。劉昭等[9]報道了1例兩技術相結合引導主動脈弓預開窗治療TAAD的案例，該患者夾層破口位于頭臂動脈，并發生逆撕至升主動脈的情況；手術過程中，在未阻斷頸動脈血流或建立相關臨時轉流的條件下完成了主動脈弓的三開窗；術后患者行胸腹主動脈CTA顯示弓上分支血流通暢，無支架移位及神經系統并發癥的發生。

2 3D打印在TBAD中的應用

TEVAR是TBAD的主要治療方式，相較于其他治療方式具有安全性高、并發癥少、恢復快的特點。其原理是采用覆膜支架覆蓋原發破口，阻止血液持續流入假腔，促進假腔血栓吸收機化；真腔血流恢復，遠端器官及肢體的血供得到改善，最終達到血管重塑、功能恢復的目的。TBAD患者一經確診，進行基本的藥物治療后，應盡早施行手術干預。國內專家共識指出[3]，TEVAR較單純藥物治療能夠更好的重構主動脈并降低遠期主動脈不良事件的發生風險。TEVAR同其他介入手術一樣，無法直觀血管的真實形態，只能通過透視、造影等術前影像資料進行操作判斷。3D打印模型能夠在影像資料的基礎上更好呈現患者的血管情況，幫助術者預判術中支架大小、釋放位置和角度，并幫助術者理解關鍵解剖結構，進一步明確手術過程、細化手術預案，從而實現精準定位、測量和植入，對于AD腔內介入治療意義重大[10，11]。

相較于常規外科開胸手術，TEVAR操作簡便、創傷小、病死率和術后并發癥發生率低，但因其在腔內進行，仍然存在血管內漏、神經系統紊亂發生的可能，甚至可能會出現術后支架近端新發破口（SINE）引起RTAD發生，從而大大增加患者病死的可能性。而覆膜支架與主動脈壁嚴密貼合能夠減少內漏情況的發生；支架管徑的縮放準確能夠減少遠端SINE的發生[3]。因此，合理的支架技術及合適的支架尺寸是手術成功實施的關鍵。結合3D打印技術，醫師能夠在模型上進行術前關鍵數據的測量，從而選擇合適的支架尺寸和支架技術，避免術中反復探查，從而減少手術時間，提高手術成功率。

對于出現破裂或存在破裂征像、灌注不良以及錨定區不足15 mm（主動脈夾層原發破口或主動脈瘤瘤體近端與左鎖骨下動脈開口之間的距離＜15 mm）的復雜性主動脈夾層（BC）患者，單純的TEVAR往往不能達到最大限度的治療效果，需要結合煙囪技術、開窗技術等技術的實施，以確保LSA的血供。近年來，體外開窗技術在TBAD的治療中已經取得了顯著效果。臨床上通常基于CT和造影等影像數據對覆膜支架進行體外開窗定位，定位偏差往往會增加手術難度和時間并提高手術的風險。3D打印技術的發展使得其在模擬復雜主動脈的解剖形態結構上有明顯的優勢，可以在3D打印模型上進行預開窗，從而精準實現體外開窗定位。有研究表明[12]，使用3D打印模型輔助體外開窗，相較于傳統的開窗定位能夠獲得更精準的匹配效果，短期的隨訪也能證明前者的安全性與可靠性。有研究報道了3D打印技術指導下體外開窗的可行性和應用效果[13]，10例患者均在3D打印模型指導下進行體外開窗并完成TEVAR，1例同期行PCI術，術后患者均無并發癥發生，無圍術期死亡病例，證明3D打印技術融合體外開窗在TEVAR中的實際應用價值。多項研究均表明[14-17]，應用3D打印技術指導不同分型如慢性、亞急性AD以及復雜主動脈病變的腔內介入手術，能準確放置支架，取得滿意的手術效果。

累及內臟分支的夾層患者，通常有較高的病死率和并發癥發生率[18]。預開窗及分支支架腔內修復術（f/bEVAR）除了能夠完成血管的腔內修復外還能兼顧內臟分支的血管重建，在治療累及內臟分支的主動脈疾病中已得到廣泛應用，并取得了良好的效果[19]。在扭曲嚴重的主動脈中，支架植入后會導致內膜片發生明顯移動，使得開窗位置與對應分支之間無法精準匹配。因此，提高f/bEVAR手術成功率的關鍵步驟就是開窗位置的評估。如果僅僅通過影像手段進行術前評估，將難以確定支架的展開位置。李逢時等[19]通過熔融沉積的方式3D打印出5例解剖病變復雜的AD患者的透明血管模型，在模型上術前測量，并在標記相關血管的預開窗位置及支架膜上的相應位置后進行手術，術后無相關并發癥及圍手術期死亡病例的發生。

在臨床應用方面，臨床醫師需在較高精度的3D打印模型下觀察解剖結構或進行準確的術前手術規劃。3D打印模型的精準度越高，提供的術前規劃方案就越具備臨床價值。張文卿等[20]分享了基于CT增強數據3D打印TBAD模型的經驗，分析總結了在打印精度方面存在的問題：一是對于各個階段的對象（患者、CT圖像、重建模型、3D打印模型）進行數據測量時，測量點的選擇可能存在較大誤差；二是使用不同軟件對各階段圖像或模型測量也會影響模型精準度；三是假腔內不同程度的血栓化會影響真正血管腔的勾畫，這種誤差會在之后STL格式模型生成或是3D打印階段逐漸放大。由此可見，如何進一步改善3D打印模型精準度的問題，提供更精確的測量數據也將成為日后研究的方向。

此外，3D打印技術還可用于評估TEVAR術后患者的長期療效和預后情況[21]。在患者術后長期隨訪的過程中，對每次發生并發癥或再次干預的血管進行3D打印，以更好地解釋多年隨訪中不同的干預措施，并作為醫學教育的實際操作工具。

吳勵等[22]的研究顯示，區別于局部3D打印的血管模型，一體化3D打印的血管模型打印范圍更全面（弓上三分支至雙側股動脈），能夠更好地幫助醫師術前評估及制定手術方案。此外術者也可根據患者所需，3D打印出具備不同特點的模型（實體模型、模糊整體打印模型、透明分段打印模型、拼接模型），滿足各自的教學或輔助診療等需要。其中，拼接模型可根據手術方案選擇拼接位置，但需更長的模型制作時間。所有模型的打印用時9 h至3 d，均能夠滿足亞急性期及慢性期TBAD患者行TEVAR的術前評估需求。

3 3D打印在臨床教學和醫患溝通中的應用

3.1臨床教學" 3D打印模型不僅在不同AD疾病的診治過程中有著重大價值，在臨床教學與醫患溝通方面也有著顯著意義。通過3D打印技術進行患者局部組織器官的精準模型制作，不僅有利于臨床醫生提高對患者復雜解剖區域的直觀理解，形成組織的3D直觀認識，而且在面對特殊的復雜病例時，可以進行個性化3D模型定制，在手術開始前提前規劃方案，模擬手術過程[23]。

正是由于3D打印模型個性化、立體化定制等顯而易見的特點，使其在醫學教學和培訓中有著較為廣泛的應用。有相關研究調查顯示[24]，當3D打印模型介入到心血管相關專業知識的教學考核中，通過3D模型輔助教學會比傳統教學形式下的學生成績更優異。在心血管科室的臨床教學與培訓中，通過選取不同的顏色、不同性質的材料對心臟及心血管進行3D打印，3D打印模型能夠幫助醫師及醫護人員更加直觀地理解復雜的解剖結構。比如，通過用不同顏色對真腔、假腔、內膜片等結構上色，可以十分直觀地了解主動脈夾層的破口位置、大小、撕脫長度等基本術前數據[25]。通過某些實心材料可以增加模型的硬度，更利于對主動脈空腔結構的支撐，但卻不利于破口的顯示；而透明材料就可以解決這一問題，上色后也更為美觀；但當追求更貼近實際的手術體驗時，就需要尋找一種柔軟的材料，使得模型更貼近真實血管，但模型支撐性就將是一種挑戰。由此可見，不同材料有著不同的優缺點，當僅僅應用于教學時，3D模型也可以適當降低對材料要求和打印精準度。

在醫學生的教育中，由于心血管相關疾病手術的復雜性，以及醫學生本身就缺乏實際實踐能力，這極大程度限制了醫學生對實際手術的了解，而3D打印模型通過模擬手術過程，讓醫學生有機會操作每一種不同分型的AD的手術流程，不僅能進一步加深復雜的解剖知識、拓寬醫學生在AD中的研究視野，還能進一步提高醫學生的實際操作能力[26]。多個實驗得出將3D打印AD模型應用于心血管外科住院醫師的培養教學，能夠增加住院醫師對AD病變特點的理解和認識，加深臨床教學中住院醫師對于復雜血管病變的學習效果[27，28]。依據患者個體制定的3D打印模型能夠更加真實、準確地反映其個體化的AD特點，更直觀地反應治療策略地選擇依據。對于特殊復雜的病例，體外模擬能更直觀地體現出術中可能出現的問題，有利于完善手術策略方案。

不僅如此，3D模型還有助于為血管外科醫師提供學習新技術、訓練特定手術的教學實操機會。通過3D打印技術對某特殊病例的需要手術介入的解剖區域的器官或組織進行打印，醫師可以利用三維、立體的模型進行新技術、特殊手術方案的演練，同時這些模型還可以用于培訓心血管外科醫師[29]。與此同時，在某些難度較高的手術和特殊病例下，3D打印模型模擬的手術過程對于缺乏經驗的年輕醫師來說，有著更顯著的幫助[30]。

3.2醫患溝通" 對于醫務工作者而言，醫患溝通在臨床工作中是一項不可避免的醫療活動。醫患之間良好的溝通可以幫助患者更清楚地了解病情，積極配合治療，減少醫療糾紛，提高患者滿意度。在AD手術的術前溝通過程中，由于心血管的解剖、生理和心外空間之間關系的復雜和手術的操作難度，對于毫無醫學背景的患者及其家屬在手術方案和手術治療的認識上通常存在困難。但醫師可以基于形態結構上更為直觀的3D模型對患者家屬進行術前談話，通過通俗易懂的講解再結合直觀的模型使醫學知識不足的患者或家屬更易于理解，有助于醫患溝通，方便向患者及家屬展示患者的病情情況。同時，在心臟外科某些高風險手術中，疾病的病理及解剖改變也可以利用3D模型與患者和家屬進行講解，利用模型告知其病變區域、手術方式的選擇及目的，以及手術風險的存在情況，增加患方對疾病以及手術過程的了解和認知，以此有效地減少由于醫療知識的不對稱所造成的醫患矛盾和糾紛[23]。

4總結

3D打印技術于上世紀90年代初開始在醫學中逐步應用，目前在心血管疾病中的應用也逐漸走向成熟。本文概述了3D打印在AD中的應用進展。借助3D打印技術能進行術前模擬，獲取關鍵手術信息，制定個體化的精準手術方案；并進行臨床教學，提高學員對于疾病和手術的認識；更好的進行醫患溝通，增加家屬的理解和配合。3D打印的在打印精度、打印準備時間和打印成本方面存在明顯局限，并且為了提高心血管外科領域3D打印的效率和準確率，需要心血管外科醫生、心血管介入醫生、放射醫生及工程師組成的多學科團隊進行指導或提出關鍵意見；此外，大多3D打印的應用研究樣本量較小，無法得出可靠性結論或建議。因此，受限于成本及材料，3D打印技術主要用于輔助復雜AD患者的手術治療，制定個體化的3D打印模型。對于撕裂程度小、病變結構簡單的AD患者，無需3D打印輔助治療。隨著3D打印技術的不斷發展，計算機建模及后處理軟件的迭代升級，醫生獲取的血管圖像及3D模型的打印質量和精細程度也會獲得明顯提高。在臨床與數字化、信息化的完美融合下，3D打印技術將在心血管疾病中有更廣闊的應用前景。

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收稿日期：2023-02-20；修回日期：2023-03-21

編輯/王萌